Построение аудио АЦП для себя любимого

[svolkovoy]

про ЦАПы уже 2 ветки наплодили - начнем про АЦП.
Итак первое - какие изделия из сигма дельт лучше? Вообше и из имеющегося в наличии (ад1871 и пцм1804).
если делать на АЦП последовательного приближения (есть ад7679 и адс8382) то надо ли делать передискретизацию и цифровую фильтрацию для понижения частоты до нужной? Пока все, потом начнем про входные каскады и т.д. и т.п.

[Bobby_ii]

Что интересно в PCM4222 - ЦАП может выдавать 6-битный поток прямо с дельта-сигма модулятора, с частотой дискретизации около 6 МГц.

Это крайне интересно. Ткните в букварь - чтобы понимать суть ДС. И что там за 6-битный поток и как его в 24 бит преобразовать.
Интересный поднят вопрос - как посмотреть эти переходные искажения? Меандр в помощь?

---------- Добавлено в 23:14 ---------- Предыдущее сообщение в 23:08 ----------

так что все интермоды - продукт самого АЦП:

Вопрос в том, ка достигалось снижение амплитуды: делителем с усилителем или цифровым?
Если цифровым, то совершенно не факт. У ЦАПов, точнее их "выхлопов" проблем не меньше чем у АЦПов.

[Alex]

Перефразирую: это - св-во конкретной модели или ДС как класса?

Я смотрю в ДШ конкретной микросхемы (4222, ну и 4220, что почти одно и то-же)

И вопрос: почему выбран 4222?

А есть что-то лучше?

Алекс, не вижу почти никакого ухудшения при переходе на 192к.

Возможно.

[ViktKors]

Вопрос в том, ка достигалось снижение амплитуды: делителем с усилителем или цифровым?
Если цифровым, то совершенно не факт. У ЦАПов, точнее их "выхлопов" проблем не меньше чем у АЦПов.

Переход от первой картинки к следующим - изменение номиналов резистров на входе АЦП. Далее - снижение уровня в цифре - так было проще. Я генерировал просто тестовые сигналы нужной амплитуды - разницы с нормальной регулировкой громкости нет никакой; да и в случае не очень нормальной 24-х битной там только эффекты дизеринга, то есть на уровне в 0.5 МЗР ЦАП - в данном случае это соответствует уровням ниже ~ -165 дБ (на трех нижних картинках). Если хотите, можете считать мелкую "траву" с таким уровнем артефактом ЦАП - это дела не меняет, хотя на самом деле положение левых пиков соответствует скорее Fs АЦП (48 кГц), а не ЦАП (192 кГц).

П.С. Ну и свой-то ЦАП я как-бы на предмет неожиданных сюрпризов уж изучил-то, нормально там все, впрочем если есть интерес - могу промерить и показать что надо.

[Nikolay_Po]

Нету прямой взимосвязи между уровнем интегрального шума в звуковой полосе и шумовой полкой в FFT. Мощность шума в очень узком диапазоне (т.е. напримерм частота гармоники +/- доли герца) значительно меньше интегрального, и поэтому ничего не мешает мерять ниже уровня определяемого сигнал/шум. Это даже если не говорить про усреднение.

А мне с некоторых пор кажется, что есть взаимосвязь. Взаимосвязь эта однозначна и выражена через ширину полосы частот каждого бина ДПФ (дискретного преобразования Фурье) и мощность сигнала в этой полосе. Далее для всех интересующихся:

Рассмотрим упрощённый случай - прямое ДПФ, без оконной функции, длина ДПФ кратна 2^N, где N - целое число. К примеру, записали мы отрезок сигнала из 2^22 отсчётов. Как ни измеряй - одним ДПФ длиной 2^22, двумя ДПФ 2^21 или 64-мя ДПФ по 2^16, усреднённая суммарная мощность сигнала получится неизменной. То есть, суммарная мощность всех бинов одного 2^22 ДПФ совпадёт со средней мощностью по 64-м штукам ДПФ диной 2^16 от той же записи. Закон сохранения энергии.

Так же и с распределением мощности по частоте. При увеличении разрешения по частоте (при увеличении размера ДПФ), ширина полосы каждого бина уменьшается прямо пропорционально. А спектральная плотность мощности сигнала - прежняя. Соответственно, мощность каждого бина ДПФ падает прямо пропорционально увеличению количества бинов. То есть, мощность каждого бина на графике обратно пропорциональна размеру ДПФ (при неизменной частоте дискретизации).
Вот пример (здесь смотрим на шум в районе 10кГц, пики - немного другая история). Это БПФ с окном Кайзера (RMAA, "параметр" окна 20):

Вложение 184894 Вложение 184890.

Слева (первый график) - размер БПФ 8192 отсчётов, справа - 262144 отсчёта. Разница в количестве бинов 32 раза. Соответственно, разница в высоте на графиках следующая (относительно полной шкалы): на первом графике в районе 10кГц вижу в среднем -140.25дБ. Это мощность 10^(-140.25/10) относительно полной шкалы (мощность из дБ считается возведением 10 в степень дБ делённых на 10, а не 20, как для амплитуды). Значит, на графике из 262144 отсчётов ожидаем мощность бина в этой области частот 10^(-140.25/10)*8192/262144. Это log₁₀(10^(-140.25/10)*8192/262144)*10=-155.3дБ. На правом графике вижу в среднем -155.25дБ. Неплохое совпадение, особенно если учесть, что усредняем глазом на графике не мощности, а их соотношения - логарифмы.
Таким образом, считать спектральную плотность мощности шума вдоль шумовой полки можно точно и однозначно, вне зависимости от размера ДПФ.

Немного сложнее для амплитуд гармоник и прочих пиков на графике. Несмотря на то, что спектральная плотность мощности при разных размерах ДПФ одинакова и это справедливо для спектральных пиков тоже, бин ДПФ редко попадет строго на пик спектра, а сами пики на спектре часто занимают несколько смежных бинов. Это приводит распределению энергии пика на несколько смежных бинов. Таким образом, вместо пика шириной в один бин и высотой строго соответствующей мощности гармоники, мы получаем пик, размазанный на несколько бинов со снижением амплитуды самого высокого бина, отображающего этот пик. Бины честно отображают спектральную плотность мощности на своём участке, но так как пик на спектре приходится на несколько бинов, мощнсть пика разделена между ними. Видимая на графике высота пика падает относительно ожидаемой, хотя мощность отражена корректно. Поэтому чтобы определить амплитуду гармоники, нужно алгебраически сложить мощности сразу нескольких бинов, на которые пришлась мощность этого пика и считать амплитуду соответственно полученной мощности.

Некоторую сумятицу вносит разница между оконными функциями, применяемыми для анализа отрезков сигнала больших, чем размер ДПФ. Несмотря на то, что разные оконные функции дают разные артефакты (боковые лепестки на спектре около тонов, разные высоты пиков гармоник), мощность сигнала обычно сохраняется. Мощность шума, если он не перекрыт боковыми лепестками от тонов на графике, обычно тоже сохраняется одинаковой у разных окон. Мощность гармоник, посчитанная по сумме мощностей бинов составляющих пик на спектре, тоже обычно одинакова. Но разница в максимальной высоте самого высокого бина у пиков при разных окнах скорее всего будет разной. Отсюда и разное нормирование графика на "0"дБ. Разное нормирование далее ведёт к разнице уровней шумовой полки при разных окнах.

Стоит помнить главное: энергия не появляется ниоткуда и не исчезает в никуда. Если "математика" без ошибок и "окно" сохраняет энергию сигнала, то общая мощность сигнала будет одинаковой вне зависимости от размера ДПФ (БПФ - частный случай ДПФ) и используемой оконной функции. От оконной функции зависит то, насколько точно энергия сигнала будет распределена на графике. Появление боковых лепестков у пика означает, что мощность пика теперь не только в одном, самом высоком бине этого пика, но и в бинах, формирующих скаты и боковые лепестки этого пика. Обычно для оконных функций утечка мощности пиков в боковые лепестки пренебрежимо мала. Но чтобы точно посчитать амплитуду гармоники, нужно сложить мощности нескольких бинов, её составляющих.
Если считать пики по суммам мощностей бинов, их составляющих, то весь график, вместе с шумовой полкой, можно нормировать к "полной шкале" вне зависимости от размеров ДПФ. Если перевести "шкалу АЦП" к напряжению в Вольтах или к мощности в Ваттах, спектр, полученный при помощи ДПФ, можно перевести в спектральную плотность шума в В*Гц^-0.5 ("в Вольтах на корень из Гц) или в Вт/Гц.

[Nikolay_Po]

Для простого и относительно точного отображения амплитуд гармоник хорошо подходят малые размеры БПФ. При малом размере БПФ больше шансов (но нет гарантий), что вся мощность пика на спектре попадёт в один единственный бин. При условии, что мощность шума, попавшая в один этот бин вместе с гармоникой пренебрежимо мала (а это часто так), этот бин отобразит амплитуду гармоники с хорошей точностью. Поэтому, если ПО не умеет учитывать амплитуду гармоники по нескольким бинам, отображающим её мощность, лучше выбирать меньший размер БПФ. Но не слишком малый, чтобы в бины с гармониками не попадало слишком много шума от шумовой полки.

---------- Добавлено в 00:58 ---------- Предыдущее сообщение в 00:44 ----------

Это крайне интересно. Ткните в букварь - чтобы понимать суть ДС. И что там за 6-битный поток и как его в 24 бит преобразовать.

Это примерно так (рисунок "Figure 12 - Delta-Sigma based Multi-Bit ADC with PCM Output" отсюда: An Introduction to Delta Sigma Converters):



Только на 6-битном выходе PCM4222 скорее всего нет прореживающего фильтра (цифрового ФНЧ в правой части рисунка). N=6. Так же сама структура модулятора может быть сложнее - на рисунке показан первый порядок, а в PCM4222 может быть реализован более высокий - не помню (или не знал).
В специальном режиме (на PCM4222EVM поток выведен через буфер) чип выдаёт по 6 бит на отсчёт для каждого канала с частотой дискретизации 6.144МГц. Это 6144000*6*2=73.7Мбит/с. Такой поток можно "переварить" только DSP или ПЛИС. И именно из этого потока, с помощью цифрового фильтра внутри микросхемы, получается поток 24бит 192кГц и остальные режимы.

[Bobby_ii]

ниже ~ -165 дБ (на трех нижних картинках).

-165дБ при 24 битах вызывают у меня некоторые приступы потери контакта с реальностью. Приходится долго себя уговаривать, что это - усреднение.

если есть интерес - могу промерить и показать что надо.

Интерес есть. И великий. Но надо понять, что и как мерить. Чтоб не гонять попусту.
Наверное, первое - узнать, есть ли неискажающий усилитель 1:64.
Второе - промерить усилитель-делитель или делитель-усилитель при одинаковых амплитудах на ЦАПе и АЦП и равных соотношениях делителя и усиления. Видимо схема будет делитель-усилитель-делитель.
Если надо накрыть 30дБ, соотв. надо 1:1 1:2 1:4 1:8 1:16 1:32 1:64
... 1:1 1:16 1:64 будет достаточно посмотреть, всё ли "гладко". т.е. усилитель 64:1 и 2 делителя. Или это слишком жестоко?
Если "всё гладко", то смотреть искажения АЦП при разной амплитуде, потом ЦАПа.

---------- Добавлено в 03:00 ---------- Предыдущее сообщение в 02:38 ----------

Nikolay_Po, в общем понятно, но требует "переваривания".
Сразу пара вопросов:
1. есть ли УВХ на входе?
2. Если есть, как устроено и чем тактируется?
3. 6.144МГц - опорная частота? откуда берется? Меняется в зависимости от режимов?
4. Разные режимы отличаются режимами ЦФ? Т.е. режимы модулятора меняются или нет?

[Nick]

А мне с некоторых пор кажется, что есть взаимосвязь. Взаимосвязь эта однозначна и выражена через ширину полосы частот каждого бина ДПФ (дискретного преобразования Фурье) и мощность сигнала в этой полосе.

Ну так если внимательно прочитать, то можно вероятно увидеть что это же я и написал - она зависит от полосы в которой смотрится мощность.

Но т.к. полоса определяется окном FFT, поэтому прямой зависимости между S/N и полкой FFT нет, т.к. есть ещё этот третий параметр. А если шум не униформный, то и его не достаточно.

---------- Post added at 23:34 ---------- Previous post was at 23:12 ----------

Для простого и относительно точного отображения амплитуд гармоник хорошо подходят малые размеры БПФ. При малом размере БПФ больше шансов (но нет гарантий), что вся мощность пика на спектре попадёт в один единственный бин.

Пользовать надо ЦАП, засинхронизированным с АЦП, а не аналоговый ген, когда это возможно - тогда можно брать большие окна. Тогда же можно в принципе и без оконной функции обойтись, если частоты брать "кратные".

[Rova]

-165дБ при 24 битах вызывают у меня некоторые приступы потери контакта с реальностью. Приходится долго себя уговаривать, что это - усреднение.

Можно еще почитать вот эту ветку - http://forum.ixbt.com/topic.cgi?id=12:53593 , особенно посты f0i.

[Bobby_ii]

Пользовать надо ЦАП, засинхронизированным с АЦП

Ответьте: есть ли УВХ на входе АЦП? С какой частотой оно работает?
Синхронизировать надо так, чтобы помех дискретизации ЦАПа не наловить.

[Nikolay_Po]

-165дБ при 24 битах вызывают у меня некоторые приступы потери контакта с реальностью. Приходится долго себя уговаривать, что это - усреднение.

Никакого отрыва от реальности. Шкала дБ относительно чего? Не задумывались? Обычно на графиках уровень в дБ отражает мощность бина относительно полной шкалы. А как я указал в сообщениях выше, мощность бина обратно попорциональна размеру БПФ. Так что эти гигантские цифры не слишком сложно перевести к стандартным мкВ*Гц^-0.5. Тогда все графики будут выглядеть одинаково.

Сразу пара вопросов:
1. есть ли УВХ на входе?
2. Если есть, как устроено и чем тактируется?

УВХ на входе по всей видимости нет. При таких частотах дискретизации и звуковых частотах на входе, надобности в УВХ для дельта-сигма АЦП нет. Что-то может и есть на входе мультибитного АЦП в структуре модулятора, но в чистом виде УВХ прямо на входе АЦП, я думаю, нет.

3. 6.144МГц - опорная частота? откуда берется? Меняется в зависимости от режимов?

Не знаю. Не задавался вопросом. Почитайте внимательно паспорт на микросхему PCM4222 и описание оценочной платы PCM4222EVM. Возможно, что-то прояснится. В любом случае это не АЦП для телекома с широкой полосой для полной амплитуды. Не думаю, что у разработчиков стояла задача обеспечить низкую апертурную неопределённость для выборки с частотой 6МГц. Обеспечили "картинку" в диапазоне ЗЧ для стандартного i2s сигнала на выходе ЦФ - и ладно. Вы не получите от этого чипа картинку как от высокопроизводительных АЦП с последовательным приближением на высоких частотах. В спектре модулятора на ВЧ будет всё больше и больше шума с ростом частоты.
Здесь важно не получить широкую полосу в единицы МГц, которая в случае PCM4222 будет малополезна, а полуичть наилучшую фильтрацию звукового диапазона - с минимальными искажениями фазы и другими проблемами, влияющими на звук.

[aal]

Ответьте: есть ли УВХ на входе АЦП? С какой частотой оно работает?

УВХ, в классическом смысле там нет, но там есть переключающиеся конденсаторы: один заряжается от входа, а второй разряжают в модуляторе. Потом они переключаются. Частота переключений, скорей всего, равна 6мгц с копейками - это частота модуляторов. Если надо точнее - надо поднимать инфу по всему семейству 42хх и их демобоардах, может ещё какие сопутствующие документы были....

P.S. Когда делал плату на 4202, обратил внимание, что входы АЦП низкоомные и стало быть ОУ должен быть достаточно мощным и не иметь дикого роста искажений при нагрузке значительно менее 1кОм

[Alex]

Ответьте: есть ли УВХ на входе АЦП?

Оно в данном случае не нужно.

. Когда делал плату на 4202, обратил внимание, что входы АЦП низкоомные и стало быть ОУ должен быть достаточно мощным и не иметь дикого роста искажений при нагрузке значительно менее 1кОм

У 422х - 2.8к входное.

[yan]

Это крайне интересно. Ткните в букварь - чтобы понимать суть ДС. И что там за 6-битный поток и как его в 24 бит преобразовать.

Предельно ясно на тему сути сигмадельта высказывался tomtit:
ссылка

Модулятор - система с обратной связью и нелинейным выходным каскадом. Глубина ООС такая, что в нужной полосе (например 20-20к) искажения и шумы получаются меньше заданных. Вне полосы интереса шум очень большой.

6-битный выход модулятора 4222 - есть PCM с частотой дискретизации 6МГц. Просто с какой-то частоты начинает расти шум. В даташите 4222 на спектрах можно разглядеть начало роста с 60кГц. Для получения привычного PCM (к примеру 192/24) этот 6-битный поток пропускается через самый обычный цифровой фильтр - синхронный преобразователь частоты дискретизации.

[Speedy Gonzales]

На каком чипе WM8786, PCM1804, PCM4202 или AK5394A предпочтительнее собирать АЦП для измерений своих поделок?
Данные чипы у меня есть в наличии, по тому и интерес к этому списку.

[pless]

Самое простое из ваших чипов применить PCM4202,но лучше 4220(22),минимум обвязки и проблем.

[Alex]

Возник интересный вопрос - схему еваборды 4222 думаю все видели, или покраммере даташит на 4420/4222 просматривали.
Видели что там стоит на входе - ора1632, и как оно включено?
Теперь вопрос из зала, даже два:
1) какой сокровенный смысл в резисторах по 40 ом и можно ли их нулифицировать?
2) полагаю, у большинства источники сигналов не дифференциальный, а вход там - дифф. Кто-нибудь смотрел осциллографом, что при этом получается на входе АЦП?
Кому лень смотреть - вбейте схему в симулятор, один ОУ + 6 резисторов и 4 кондесатора, если нет модели 1632, можно взять любой другой "фул.дифф", например THS4131.

P.S. ДШ на 4220/42222 есть схемы на обычных ОУ, не "фул.дифф". Они разумеется поведут себя совсем иначе, и насколько я понимаю - с ними или половина амплитудного диапазоны будет потеряна, или вообще нельзя использовать не дифф. вход - т.к. на АЦП будет только один сигнал из двух.

Offтопик:
P.P.S. Экспериментировалось, моделировалось и писалось это сообщение - вчера уже глубокой ночью. Я только был уже настолько "ночью", что даже забыл нажать кнопку "отправить сообщение".
С утра понятно дело тоже соображаю туго, так что если какую фигню спорол - я щас пока до работы надеюсь за час дорулю, проснусь и почитаю, пока думать лень.

[viktor8m]

какой сокровенный смысл в резисторах по 40 ом и можно ли их нулифицировать?

Я думаю, что это стандартная защита (развязка) выхода ОУ от ёмкостей нагрузки (от возможной генерации). Насчёт аннулировать не советую (раз производитель рекомендует) и, кстати, это дополнительная защита входов АЦП (на входах есть внутренняя защита, но ток должен быть не больше 10 мА, а при 40 Ом на входах АЦП вплоть до превышения 0.7 В перед этими резисторами относительно питания ток как раз не превышает 10 мА, т.е. на выход ОУ при наличии дальше 40 Ом можно для защиты поставить даже обычные кремниевые диоды типа 1N4148).

[dortonyan]

какой сокровенный смысл в резисторах по 40 ом и можно ли их нулифицировать?

В ДШ на ДС ацп AD7190 пишут, что емкость на входе нужна для нивелирования переменного входного омпеданса модулятора. Думаю здесь что-то аналогичное.

полагаю, у большинства источники сигналов не дифференциальный, а вход там - дифф. Кто-нибудь смотрел осциллографом, что при этом получается на входе АЦП?

Я смотрел. Из-за выше описанных резюков получается смещение между диф. каналами. Поэтому перед дифампом нужно ставить доп. ОУ инвертор.
Хотя у себя в схеме я просто исключил эти резюки из охвата ОС.

[Alex]

Я думаю, что это стандартная защита (развязка) выхода ОУ от ёмкостей нагрузки (

Да это понятно, называется эта штука Active Termination, вопрос в другом - насколько это ТУТ нужно?
Ибо с недифф. входом оно все гробит - зачем я ставлю 0.1% резисторы, если разница амплитуд на диффф. входах АЦП составляет 15-20% ?
Даже в идеальном случае, при моделировании с идеальными резисторами, получается 15-16%.

Хотя у себя в схеме я просто исключил эти резюки из охвата ОС.

Я у себя сделал тоже самое - т.е. убрал активную терминацию, резистор и кондер после них оставил.

[dortonyan]

Я у себя сделал тоже самое - т.е. убрал активную терминацию, резистор и кондер после них оставил.

Но тогда появляется проблема линейности, если у модулятора кодозависимый входной ток. Т.е. по идее, без охвата ОС эти резисторы следует минимизировать до 10..20R.